Wraz z gwałtownym rozwojem przetwarzania przemysłowego, obrony narodowej, zastosowań biomedycznych, komunikacji i badań naukowych, wysokiej mocy lasery półprzewodnikowe (w tym LD, TDL,Technologie VCSEL i VCSEL) stały się kluczowymi technologiami umożliwiającymiJednakże wraz ze wzrostem mocy lasera, zarządzanie cieplne stało się krytycznym wąskim gardłem, ograniczającym dalsze ulepszenia wydajności, niezawodności i gęstości mocy.
Podczas pracy o dużej mocy znaczna część energii elektrycznej jest przekształcana w ciepło w środku zwiększającym.pogorszenie jakości wiązki, przyspieszone starzenie się materiału, a nawet katastrofalna awaria urządzenia.Wybór odpowiedniego materiału do odgania ciepła odgrywa decydującą rolę w określeniu długoterminowej stabilności i limitów wydajności systemów laserowych..
Wśród różnych materiałów kandydujących, ciepłoodpływacze z węglanu krzemu (SiC) stopniowo zdobywają uznanie jako rozwiązanie nowej generacji ze względu na ich doskonałą dopasowanie termiczne, trwałość środowiskową,i kompatybilności technicznej.
Obecnie głównymi materiałami wykorzystywanymi w radiatorach ciepła są metale (miedź i aluminium), ceramika z azotanu aluminium (AlN) i diament CVD.Każdy z nich wykazuje znaczne ograniczenia w zastosowaniach laserowych o dużej mocy.:
Miedź (Cu)
Przewodność cieplna: ~397 W·m−1·K−1
Współczynnik rozszerzenia termicznego (CTE): 16,5×10−6 K−1
Kwestia: poważne niezgodności ze środkami uzyskiwania GaN i InP, prowadzące do stężenia naprężeń termicznych i degradacji interfejsu podczas cyklu termicznego.
Aluminium (Al)
Przewodność cieplna: ~ 217 W·m−1·K−1
CTE: 23.1×10−6 K−1
Słabość mechaniczna (twardota Brinella ~ 20 ‰ 35 HB), co sprawia, że jest podatny na deformacje podczas montażu i pracy.
Przewodność cieplna: ~180 W·m−1·K−1
CTE: ~4,5×10−6 K−1 (blisko SiC)
Ograniczenie: przewodność cieplna wynosi tylko ~ 45% 4H-SiC, co ogranicza jej skuteczność w systemach laserowych klasy kilowattowej.
Przewodność cieplna: do 2000 W·m−1·K−1
CTE: 1,0×10−6 K−1, poważnie niezgodny z powszechnymi materiałami laserowymi, takimi jak Yb:YAG (6,8×10−6 K−1)
Wyzwania: Niezwykle wysokie koszty i trudności w wytwarzaniu płytek bez wad większych niż 10 cm.
W porównaniu z powyższymi materiałami węglik krzemowy (SiC) wykazuje lepszą równowagę między wydajnością termiczną, niezawodnością mechaniczną i kompatybilnością materiału.
Przewodność cieplna w temperaturze pokojowej: 360-490 W·m−1·K−1, porównywalna do miedzi i znacznie lepsza od aluminium.
CTE: 3,8 ≈ 4,3 × 10−6 K−1, ściśle odpowiadając GaN (3,17 × 10−6 K−1) i InP (4,6 × 10−6 K−1).
Wynik: Zmniejszenie naprężenia termicznego, poprawa stabilności interfejsu i zwiększona niezawodność w cyklu termicznym.
SiC oferuje:
Doskonała odporność na utlenianie
Wysoka odporność na promieniowanie
Twardość Mohsa do 9.2
Stabilność w środowiskach laserowych o wysokiej temperaturze i mocy
W porównaniu z metalami SiC nie korozuje jak miedź ani nie deformuje się jak aluminium, zapewniając stałą wydajność termiczną przez długi okres użytkowania.
SiC może być zintegrowany z półprzewodnikowymi nośnikami zwiększającymi za pomocą różnych technik wiązania, w tym:
Łączenie metalizacyjne
Bezpośrednie połączenie
Eutektyczne wiązanie
Ta wszechstronność umożliwia niską odporność termiczną na interfejs i bezproblemową integrację z istniejącymi procesami produkcji półprzewodników.
SiC występuje w wielu politypach, w tym 3C-SiC,4H-SiC, i 6H-SiC, z których każda ma odmienne właściwości i metody produkcji:
Temperatura wzrostu: > 2000°C
Produkuje 4H-SiC i 6H-SiC
Przewodność cieplna: 300 ̊490 W·m−1 ̊K−1
Odpowiedni do wymagających strukturalnie systemów laserowych o dużej mocy.
Temperatura wzrostu: 1450-1700°C
Umożliwia precyzyjne sterowanie wyborem wielotypu
Przewodnictwo cieplne: 320·450 W·m-1·K-1
Idealne dla wysokiej klasy, długotrwałych urządzeń laserowych.
Produkuje wysokiej czystości 4H-SiC i 6H-SiC
Przewodnictwo cieplne: 350 500 W·m−1·K−1
Łączy w sobie wysoką wydajność termiczną z doskonałą stabilnością wymiarową, co czyni go preferowanym wyborem do zastosowań przemysłowych.
Karbid krzemowy (SiC) stał się wiodącym materiałem do odbierania ciepła w systemach laserowych o dużej mocy z powodu:
Wyróżnienie pomiaru cieplnego z półprzewodnikowymi nośnikami wzmocnienia
Wyjątkowa trwałość środowiskowa w ekstremalnych warunkach
Duża kompatybilność z procesami wiązania półprzewodników
Wykorzystując różne politypy SiC i orientacje kryształoograficzne,Inżynierowie mogą jeszcze bardziej zoptymalizować dopasowanie rozszerzenia cieplnego i efektywność rozpraszania ciepła w urządzeniach laserowych z heterogenicznym połączeniem.
Ponieważ poziom mocy lasera stale rośnie, ciepłoodpływacze SiC będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w fotonii i optoelektroniki nowej generacji.
Wraz z gwałtownym rozwojem przetwarzania przemysłowego, obrony narodowej, zastosowań biomedycznych, komunikacji i badań naukowych, wysokiej mocy lasery półprzewodnikowe (w tym LD, TDL,Technologie VCSEL i VCSEL) stały się kluczowymi technologiami umożliwiającymiJednakże wraz ze wzrostem mocy lasera, zarządzanie cieplne stało się krytycznym wąskim gardłem, ograniczającym dalsze ulepszenia wydajności, niezawodności i gęstości mocy.
Podczas pracy o dużej mocy znaczna część energii elektrycznej jest przekształcana w ciepło w środku zwiększającym.pogorszenie jakości wiązki, przyspieszone starzenie się materiału, a nawet katastrofalna awaria urządzenia.Wybór odpowiedniego materiału do odgania ciepła odgrywa decydującą rolę w określeniu długoterminowej stabilności i limitów wydajności systemów laserowych..
Wśród różnych materiałów kandydujących, ciepłoodpływacze z węglanu krzemu (SiC) stopniowo zdobywają uznanie jako rozwiązanie nowej generacji ze względu na ich doskonałą dopasowanie termiczne, trwałość środowiskową,i kompatybilności technicznej.
Obecnie głównymi materiałami wykorzystywanymi w radiatorach ciepła są metale (miedź i aluminium), ceramika z azotanu aluminium (AlN) i diament CVD.Każdy z nich wykazuje znaczne ograniczenia w zastosowaniach laserowych o dużej mocy.:
Miedź (Cu)
Przewodność cieplna: ~397 W·m−1·K−1
Współczynnik rozszerzenia termicznego (CTE): 16,5×10−6 K−1
Kwestia: poważne niezgodności ze środkami uzyskiwania GaN i InP, prowadzące do stężenia naprężeń termicznych i degradacji interfejsu podczas cyklu termicznego.
Aluminium (Al)
Przewodność cieplna: ~ 217 W·m−1·K−1
CTE: 23.1×10−6 K−1
Słabość mechaniczna (twardota Brinella ~ 20 ‰ 35 HB), co sprawia, że jest podatny na deformacje podczas montażu i pracy.
Przewodność cieplna: ~180 W·m−1·K−1
CTE: ~4,5×10−6 K−1 (blisko SiC)
Ograniczenie: przewodność cieplna wynosi tylko ~ 45% 4H-SiC, co ogranicza jej skuteczność w systemach laserowych klasy kilowattowej.
Przewodność cieplna: do 2000 W·m−1·K−1
CTE: 1,0×10−6 K−1, poważnie niezgodny z powszechnymi materiałami laserowymi, takimi jak Yb:YAG (6,8×10−6 K−1)
Wyzwania: Niezwykle wysokie koszty i trudności w wytwarzaniu płytek bez wad większych niż 10 cm.
W porównaniu z powyższymi materiałami węglik krzemowy (SiC) wykazuje lepszą równowagę między wydajnością termiczną, niezawodnością mechaniczną i kompatybilnością materiału.
Przewodność cieplna w temperaturze pokojowej: 360-490 W·m−1·K−1, porównywalna do miedzi i znacznie lepsza od aluminium.
CTE: 3,8 ≈ 4,3 × 10−6 K−1, ściśle odpowiadając GaN (3,17 × 10−6 K−1) i InP (4,6 × 10−6 K−1).
Wynik: Zmniejszenie naprężenia termicznego, poprawa stabilności interfejsu i zwiększona niezawodność w cyklu termicznym.
SiC oferuje:
Doskonała odporność na utlenianie
Wysoka odporność na promieniowanie
Twardość Mohsa do 9.2
Stabilność w środowiskach laserowych o wysokiej temperaturze i mocy
W porównaniu z metalami SiC nie korozuje jak miedź ani nie deformuje się jak aluminium, zapewniając stałą wydajność termiczną przez długi okres użytkowania.
SiC może być zintegrowany z półprzewodnikowymi nośnikami zwiększającymi za pomocą różnych technik wiązania, w tym:
Łączenie metalizacyjne
Bezpośrednie połączenie
Eutektyczne wiązanie
Ta wszechstronność umożliwia niską odporność termiczną na interfejs i bezproblemową integrację z istniejącymi procesami produkcji półprzewodników.
SiC występuje w wielu politypach, w tym 3C-SiC,4H-SiC, i 6H-SiC, z których każda ma odmienne właściwości i metody produkcji:
Temperatura wzrostu: > 2000°C
Produkuje 4H-SiC i 6H-SiC
Przewodność cieplna: 300 ̊490 W·m−1 ̊K−1
Odpowiedni do wymagających strukturalnie systemów laserowych o dużej mocy.
Temperatura wzrostu: 1450-1700°C
Umożliwia precyzyjne sterowanie wyborem wielotypu
Przewodnictwo cieplne: 320·450 W·m-1·K-1
Idealne dla wysokiej klasy, długotrwałych urządzeń laserowych.
Produkuje wysokiej czystości 4H-SiC i 6H-SiC
Przewodnictwo cieplne: 350 500 W·m−1·K−1
Łączy w sobie wysoką wydajność termiczną z doskonałą stabilnością wymiarową, co czyni go preferowanym wyborem do zastosowań przemysłowych.
Karbid krzemowy (SiC) stał się wiodącym materiałem do odbierania ciepła w systemach laserowych o dużej mocy z powodu:
Wyróżnienie pomiaru cieplnego z półprzewodnikowymi nośnikami wzmocnienia
Wyjątkowa trwałość środowiskowa w ekstremalnych warunkach
Duża kompatybilność z procesami wiązania półprzewodników
Wykorzystując różne politypy SiC i orientacje kryształoograficzne,Inżynierowie mogą jeszcze bardziej zoptymalizować dopasowanie rozszerzenia cieplnego i efektywność rozpraszania ciepła w urządzeniach laserowych z heterogenicznym połączeniem.
Ponieważ poziom mocy lasera stale rośnie, ciepłoodpływacze SiC będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w fotonii i optoelektroniki nowej generacji.
